奔馳M264發(fā)動(dòng)機(jī)48V車載電氣系統(tǒng)介紹

◆文/福建 林宇清

一、概述

隨著科技的發(fā)展和生活的提高，人類對(duì)汽車舒適品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。梅賽德斯-奔馳近年來(lái)通過(guò)按摩座椅、座椅加熱器和電熱杯座等功能增強(qiáng)了舒適性，但功能越多，對(duì)電能的需求也隨之增加。這樣，在傳統(tǒng)的12V車載電氣系統(tǒng)基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了48V車載電氣系統(tǒng)，其電壓比12V系統(tǒng)高四倍，彌補(bǔ)了12V車載電氣系統(tǒng)的不足，但它并未替代12V系統(tǒng)，而是在12V基礎(chǔ)上進(jìn)行了延伸，從而實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率(圖1)。另外，48V車載電氣系統(tǒng)的電壓直接定位為最大60V直流(DC)的接觸保護(hù)法定限值，它無(wú)需高壓車載電氣系統(tǒng)的高安全性和個(gè)人保護(hù)措施。

圖1 48V電壓范圍

二、組成部件

48V車載電氣系統(tǒng)除了首先應(yīng)用在M256發(fā)動(dòng)機(jī)上，還應(yīng)用于新型四缸火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)M264上，在裝配發(fā)動(dòng)機(jī)M264的情況下，采用皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)(BSA)，而非12V發(fā)電機(jī)和啟動(dòng)機(jī)。除了發(fā)電機(jī)功能，其也可使用來(lái)自48V車載電網(wǎng)蓄電池的能量生成扭矩以輔助內(nèi)燃機(jī)。48V系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)的相互作用可產(chǎn)生更好的響應(yīng)性，使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)更快更平順，并減少了油耗。該系統(tǒng)由不同的48V部件和線路構(gòu)成(圖2)，以下對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖2 48V系統(tǒng)組成部件

1.皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)(BSA)

在有些M264發(fā)動(dòng)機(jī)的電源版本中，12V的啟動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)被皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)所取代(圖3)，標(biāo)準(zhǔn)的皮帶張緊器替換為回轉(zhuǎn)皮帶張緊器(圖4)。啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)通過(guò)剛性皮帶輪集成在皮帶驅(qū)動(dòng)裝置中，為48V車載電氣系統(tǒng)發(fā)電，產(chǎn)生的電能可通過(guò)直流/直流轉(zhuǎn)換器在12V和48V車載電氣系統(tǒng)之間交換。另外，啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)還可利用來(lái)自48V蓄電池的能量產(chǎn)生扭矩，以支持內(nèi)燃機(jī)，該扭矩既可以是正扭矩 (支持) 也可以是負(fù)扭矩 (回收)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)更有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，并將多余的能量存儲(chǔ)在48V蓄電池中。內(nèi)燃機(jī)與48V車載電氣系統(tǒng)的配合使用實(shí)現(xiàn)了有效運(yùn)轉(zhuǎn)，從而降低油耗和二氧化碳 (CO2) 的排放量，同時(shí)明顯改善了車輛的響應(yīng)性。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)速度和舒適性也得到明顯提高。

圖3 M1/10啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)

圖4 回轉(zhuǎn)皮帶張緊器

2.48V車載電網(wǎng)蓄電池(G1/3)

位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙右側(cè)，與N83/1集成為一體，用于向48V車載電氣系統(tǒng)供電，例如充電、傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱和制冷等功能，它由蓄電池管理系統(tǒng) (BMS)、鋰電池離子(12個(gè))、散熱片、傳感器等元件構(gòu)成(圖5)，傳感器監(jiān)測(cè)蓄電池電壓、電流和溫度等相關(guān)的內(nèi)部變量，測(cè)得的數(shù)值在蓄電池內(nèi)部由BMS進(jìn)行處理。此外，BMS通過(guò)LIN總線與N83/1通信。48V蓄電池具備“平衡功能”，使各電池維持在相同的充電水平，該功能不僅用于保持蓄電池能量及其輸出方面的最佳性能，而且還能防止各電池過(guò)早老化，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

圖5 48V電源裝置

3.直流/直流轉(zhuǎn)換器(N83/1)

48V車載電氣系統(tǒng)通過(guò)直流/直流轉(zhuǎn)換器控制單元與12V車載電氣系統(tǒng)相連接，換言之，直流/直流轉(zhuǎn)換器(圖6)取代了傳統(tǒng)的12V發(fā)電機(jī)，是48V系統(tǒng)中能源管理的主控制單元，它計(jì)算啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī) (M1/10)輸出的電流和電壓限值，以實(shí)現(xiàn)48V蓄電池的電荷平衡，并確保啟動(dòng)性能。通過(guò)直流/直流轉(zhuǎn)換器電能可在48V和12V兩個(gè)等級(jí)之間轉(zhuǎn)換，在行駛或發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉期間，N83/1將48V的電能轉(zhuǎn)化為12V以向車載蓄電池充電，即降壓模式。此外，N83/1通過(guò)LIN總線讀取48V蓄電池的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳送至傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元進(jìn)行評(píng)估，在電流和電壓限值或特定溫度充電特性的基礎(chǔ)上，傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元計(jì)算M1/10的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，為48V蓄電池提供最佳充電水平。

4.48V車載電氣系統(tǒng)熔絲盒

位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的48V熔絲盒(圖7)將48V電源的電能分配至各用電設(shè)備，如果出現(xiàn)故障，則必須更換整個(gè)部件，不得更換單獨(dú)的熔絲或打開熔絲盒。

圖6 直流/直流轉(zhuǎn)換器

圖7 F153/2 48V熔絲盒

5.熱敏熔絲

在發(fā)生事故后，為了避免造成火災(zāi)，輔助防護(hù)系統(tǒng)控制單元 (N2/10) 會(huì)觸發(fā)熱敏熔絲斷開(圖8)，即斷開30c回路，從而使48V部件關(guān)閉48V車載電氣系統(tǒng)。

圖8 F63熱敏熔絲

三、冷卻功能

電動(dòng)冷卻液泵 (M75/11)循環(huán)熱交換所需的冷卻液，它由ME通過(guò)LIN線促動(dòng)，因此，不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，可更快達(dá)到工作溫度。當(dāng)滿足冷卻液溫度低于75℃和空調(diào)控制單元(N22/1)未發(fā)出“加熱”請(qǐng)求時(shí)，電動(dòng)冷卻液泵停用。在冷啟動(dòng)時(shí)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)通過(guò)切斷電動(dòng)冷卻液泵來(lái)停止冷卻液循環(huán)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)快速加熱升溫，且減少?gòu)U氣排放。對(duì)于采用48V技術(shù)的車輛，除了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路，還包括低溫回路1和2(圖9)。為避免48V蓄電池和直流/直流轉(zhuǎn)換器過(guò)熱，將這兩個(gè)部件集成在獨(dú)立的低溫回路2中，由低溫回路循環(huán)泵2通過(guò)冷卻器2來(lái)輸送冷卻液，傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元評(píng)估低溫回路2溫度傳感器，然后根據(jù)需相應(yīng)地促動(dòng)循環(huán)泵2，使冷卻液流經(jīng)48V蓄電池和直流/直流轉(zhuǎn)換器控制單元，吸收該處產(chǎn)生的廢熱，從而確保48V系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)工作。

不同于傳統(tǒng)的12V發(fā)電機(jī)或啟動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)與變速器油熱交換器連接，冷卻液通過(guò)啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)冷卻液泵進(jìn)行循環(huán)，用以冷卻高溫回路，防止高溫回路中溫度不斷升高。ME根據(jù)啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)溫度和變速器油溫信號(hào)，在0～100%之間促動(dòng)冷卻液泵。

四、充電功能

如果BSA不能再提供所需電量輸出，那么能源管理系統(tǒng)會(huì)通過(guò)減少用電設(shè)備來(lái)降低載荷，防止48V蓄電池過(guò)載，繼而可以保持發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。當(dāng)蓄電池能夠再次提供所需的電量輸出時(shí)，用電設(shè)備重新啟用。在車輛行駛期間，一直保持對(duì)48V蓄電池充電，以確保在怠速時(shí)能夠給車載電網(wǎng)蓄電池(12V)再充電，這可以減小了12V蓄電池的尺寸和減輕重量。

當(dāng)12V車載電氣管理系統(tǒng)識(shí)別到蓄電池充電量低時(shí)，會(huì)發(fā)送再充電的請(qǐng)求至48V電氣管理系統(tǒng)，然后48V管理系統(tǒng)檢查蓄電池中的電量是否足夠?qū)?2V蓄電池進(jìn)行再充電，如果電量充足，直流/直流轉(zhuǎn)換器開啟，對(duì)12V蓄電池進(jìn)行充電(圖10)。

當(dāng)電量不足時(shí)，48V蓄電池?zé)o法給車載蓄電池進(jìn)行再充電，那么充電就會(huì)停止，在這種情況下，12V電氣系統(tǒng)的安全預(yù)防措施啟用，例如會(huì)進(jìn)行深度放電保護(hù)。通常情況下，在車輛閑置一個(gè)月以上時(shí)需要進(jìn)行此操作，目前對(duì)駕駛員沒(méi)有明顯的限制。如果兩個(gè)蓄電池都已充滿電，那么這兩個(gè)蓄電池之間不會(huì)起任何反應(yīng)(圖11)。

如果48V蓄電池不能提供發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需的電量時(shí)，那么必須對(duì)蓄電池充電。與傳統(tǒng)車輛一樣，需要連接12V充電器 (充電電流大于10A) 或?qū)⒁褑?dòng)的車輛連接到12V跨接啟動(dòng)的連接點(diǎn)上。12V電氣管理系統(tǒng)在識(shí)別外部充電后，告知48V電氣管理系統(tǒng)啟用48V/12V直流/直流轉(zhuǎn)換器，并將來(lái)自12V電氣系統(tǒng)的電能傳輸給48V車載電網(wǎng)蓄電池充電(圖12)。

五、通信框圖

圖9 冷卻回路

圖10 車輛未行駛時(shí)再充電

圖11 兩個(gè)已充滿電的蓄電池

圖12 外部充電

圖13 通信框圖

有關(guān)48V車載電氣系統(tǒng)的再充電功能及其控制過(guò)程，可借助以下的框圖加強(qiáng)理解:直流/直流轉(zhuǎn)換器控制單元通過(guò)LIN總線讀取48V蓄電池的數(shù)據(jù)，據(jù)此計(jì)算允許的電流和電壓限值，并將這些數(shù)值通過(guò)車內(nèi)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)火開關(guān)和懸掛Flex Ray發(fā)送至傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元，然后傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元在對(duì)其進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上計(jì)算啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)模式，從而為48V車載電網(wǎng)蓄電池提供最佳充電水平，同時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元還通過(guò)混合動(dòng)力控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)與啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)進(jìn)行通信，將運(yùn)轉(zhuǎn)模式發(fā)送至啟動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)，后者隨之采用該模式，并反饋運(yùn)轉(zhuǎn)率(圖13)。